[发明专利]一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法。

背景技术

随着经济发展，工业能耗不断增长，能源危机日益严重，新能源的开发及其低成本高效利用研究显得至关重要，发展太阳能热发电技术成为现阶段我们面临的一项重要研究任务。其中，太阳能聚焦集热系统的运行稳定性和流动传热综合性能的优化是系统设计和改进的重要目标，各国学者做了大量的研究工作，提出了各种改进措施。然而，目前的研究还主要限于单个问题的发现与解决，而考虑多因素共同作用，并综合结构、材料、运行参数等多方面加以优化改进以及实现系统各个参数的协同优化工作还未展开。

太阳能聚焦集热系统作为一个复杂的系统，其中的聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及复杂耦合传热的过程，而且结构、材料以及运行参数的组合多种多样，若仅仅依靠实验手段确定最优参数组合需要花费大量的人力物力，成本高昂。因此采用一种合理、科学的优化算法，在众多可能的参数组合中确定使系统的运行稳定性和流动传热综合性能达到最优解的参数组合是一个值得研究和亟待解决的问题。目前也还未有研究学者提出先进而系统的优化算法对太阳能聚焦集热系统进行整体性能综合评估及自动优化设计，此部分工作仍有待展开。在此背景下，人们希望尽早设计出一种能有效完成太阳能聚焦集热系统光学模型、几何模型以及流动传热数值计算模型设计、光-热-流体耦合计算以及整个系统综合性能优化设计等工作的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合自动优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法，能有效完成太阳能聚焦集热系统光学模型、几何模型以及流动传热数值计算模型设计、光-热-流体耦合计算以及整个系统综合性能优化设计，解决太阳能聚焦集热系统的自动优化设计问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)针对待优化太阳能聚焦集热系统及其待优化参数，分别建立其参数化三维光学计算模型、参数化几何拓扑网格模型、参数化流动传热数值计算模型和优化算法模型；

2)在所建立的待优化太阳能聚焦集热系统的三个参数化模型与优化算法模型上，通过参数传递和耦合计算将四者进行耦合，用以进行光-热-流体耦合优化设计，即将优化算法模型产生的各个待优化参数合理参数值分别传递给三个参数化模型、将三个参数化模型之间互相耦合、计算并将耦合计算结果返回给优化算法模型从而进一步优化设计；直至完全满足优化算法模型中所选取或设计构造的优化判断准则为止。

所述的参数化三维光学计算模型的构建是基于蒙特卡罗光线追迹MCRT算法建立待优化太阳能聚焦集热系统的参数化三维光学计算模型，包括通用三维几何结构模型建立及其简化划分以及光学物理特征描述；

1)采用统一的几何结构表达形式建立参数化三维光学系统的通用三维几何结构模型，即其三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，表达式如下：

F4(x,y,z)=Σn=135Cnxiyjzk=0---(1)]]>

式中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标n从1到35，i、j、k分别为各项中x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和也在0-4之间，而对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现；